河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定计算分析

王瑞华，温家华，李云龙，崔 炜

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100761；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定计算分析

王瑞华1，温家华2，李云龙2，崔 炜3

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100761；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

正在建设的丰宁抽水蓄能电站是目前国内装机容量最大的抽水蓄能电站，其地下厂房洞室规模大、布置复杂。本文依据工程布置及厂址区域地质资料建立三维有限元模型，运用有限元计算软件ABAQUS进行厂址区域地应力反演和地下洞室群围岩计算，对围岩应力、位移等计算结果进行分析，做出围岩稳定性评价，为类似工程的设计、计算分析提供参考。

抽水蓄能；地下厂房；围岩稳定；有限元；地应力反演

1 研究背景

抽水蓄能电站厂房几乎都采用地下厂房的形式，地下洞室群的围岩稳定是电站厂房工程成败的关键因素，长期以来，地下洞室的设计方法主要有两大类［1］：一是经验法，即工程类比法，结合大量已建工程的实例，与所建工程进行多方面的比较分析，选择适合本工程的设计形式及参数；二是数值计算方法，通过建立结构的数值模型，运用以有限元为代表的数值化软件对洞室群进行数值计算，得出各区域的应力、变形、塑性区域、围岩松动圈等指标，为支护设计方案提供支持［2-6］。本文结合河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房的实例，对地下洞室群围岩的有限元模型建立、地应力场反演、稳定计算、支护分析等内容进行分析，为类似工程的设计、计算分析提供参考。

2 工程概况

丰宁抽水蓄能电站的装机容量为3 600MW，一期建设1 800MW，为目前已建抽水蓄能工程中装机容量最大的电站。工程规模为大（1）型一等工程，永久性主要建筑物为1级建筑物，永久性次要水工建筑物为3级建筑物。厂房地下洞室群主要由地下主机间洞室、安装间洞室、副厂房洞室、主变洞、母线洞、尾水门机洞、进出水压力水道等组成。主机间洞室、安装间洞室、副厂房洞室呈“一”字形布置，洞室总开挖尺寸为207.0m×25.0m×53.0m（长×宽×高）；主变洞开挖尺寸为204.9m×20.9m× 21.5m，洞室为大型地下洞室群。

地下厂房系统位于滦河左岸，地形上总体表现为“两梁夹一沟”，主要洞室布置于鞭子沟沟脑部位，轴线为近SN向，与鞭子沟呈近60°角度斜交，上覆岩体厚度250～330 m。岩性主要为三叠系干沟门单元中粗粒花岗岩，灰白色、肉红色，岩石具花岗结构，围岩较完整，岩体以块状结构为主，局部为次块状结构或整体状结构。

3 计算模型

3.1 有限元模型的建立 地下厂房系统地下洞室多、跨径大，压力管道下平洞段、尾水管道及其延伸段、主副厂房、安装间、主变室、母线洞、主变运输洞等以水平、竖直相贯及交错，形成庞大复杂的地下洞室群，洞群紧凑、规模大、结构复杂。

根据地质勘察、建筑物布置等资料，采用MSC.PATRAN软件建立三维有限元网格模型，见图1、图2。模型模拟了影响地下洞室群区域支护稳定的主要构造带，围岩、主机间、主变室、尾水闸室、引水、尾水等水道，以及洞室之间的连接洞。整体模型共划分三维有限单元约111万个，节点约69万个。岩体采用8节点6面体、6节点5面体和4节点4面体实体单元模拟，其中8节点6面体单元在模型中占绝大多数。系统锚杆采用杆件单元模拟，鉴于砂浆锚杆的受力特点，锚杆单元为限制所在的岩体单元变形提供刚度拉力贡献，锚杆节点与其所在的岩体单元节点之间通过数学插值实现协调变形。模型上部边界取至自然地表，人工边界距离洞室开挖边界的距离超过3倍的洞室跨度，充分满足有限元计算的人工模型边界尺寸要求。

图1 整体网格模型

图2 地下洞室群网格模型

3.2 力学参数 根据地质勘察资料的建议值，并参考招标设计阶段工程地质报告岩石试验成果，最终确定厂区围岩的三维有限元计算值见表1。

表1 计算参数

岩体采用弹塑性本构模型，屈服准则为MHOR-COULOMB准则：

式中：τ为剪应力；σ为正应力；c为凝聚力；φ为内摩擦角。

计算分析采用ABAQUS软件。该程序是世界领先的非线性有限元分析软件，可分析复杂的固体力学、结构力学和多场耦合系统，尤其见长于能够驾驭非常庞大的问题和模拟非线性的影响。

4 初始地应力场反演分析

在地应力反演分析中，着重研究厂房区地应力测试钻孔ZK305、ZK307、ZK 330和TXJC-2处的地应力值。反演的主要过程：基于三维有限元模型，向模型施加重力、水平向荷载和位移值，进行多工况试算，计算结果与实测值对比，逐渐修正，直到计算值和实测值在数值和方向均非常接近为止。所形成的应力场即为自重应力场和构造应力场的叠加。地应力反演分析中，共进行了近20个工况的试算。

地下厂房区地应力实测值与有限元反演值的对比，绝大多数测点的应力反演值与实测值之间的误差不超过15%。厂区钻孔的实测最大与最小水平应力比值σH/sh、最大水平应力与垂直应力比值σH/sv、最小水平应力与垂直应力比值sh/sv的平均值分别为1.65、1.74、1.05，相应的有限元反演成果为1.55、1.70、1.10，反演获得的3个主应力比值与实测比值的误差分别是2%、6%和5%。有限元反演分析得出的最大水平主应力方向与实测值方向的角度差小于10°。对于三维空间的地质力学问题而言，反演成果与现场实测的差异已经很小，对厂房开挖支护分析的影响较小，能够满足工程计算分析的需要。

5 洞室群施工期围岩稳定和支护分析

厂区地下洞室交错、贯通，结构复杂，为保证施工安全和效率，需确定合理的施工顺序。根据既往工程经验，拟安排主厂房先行施工，主变洞滞后跟进，各地下洞室采用自上而下分层开挖，开挖一层、支护一层，确保厂房洞室群的整体稳定，减小厂房、主变室围岩的塑性变形。

计算中模拟了地下厂房区域主要洞室分次、分层开挖的过程（见图3），采用喷锚支护的方式，喷锚参数为：C30喷射混凝土，厚度15 cm；挂网钢筋φ10 mm，@×@20×20 cm；锚杆Φ28 mm，L＝5/7 m，@×@1.5×1.5m。

图3 地下厂房洞室群分层开挖示意图

洞室开挖后，总体的位移趋势是由洞周向洞内变形（见图4、图5），主厂房、主变洞、尾水闸门室的位移依次减小。厂房边墙的最大位移为54.1 mm，位于上游边墙中部，拱顶下沉20.1 mm，底板回弹27.7mm，均位于厂房中部，端墙最大位移21.9mm。主变洞边墙的最大位移为29.3mm，拱顶下沉18.0mm，端墙最大位移14.7mm。尾水闸门室边墙的最大位移为26.8mm，拱顶下沉2.8mm，端墙最大位移8.1 mm。各部位的位移值与国内已经建同规模地下电站洞室的变形观测相比［7］，在量级相比是一致的，变形规律也相似，因此认为计算值是合理的。

图4 地下厂房洞室群围岩位移等值线（上、下游方向） （单位：m）

地下洞室开挖后，围岩应力重新分布（见图6），围岩主压应力沿洞室环向分布，数值基本在30 MPa以下，厂房顶拱和底板深部的压应力略大，其值约25 MPa，尾水闸门室顶拱中有小范围区域的主压应力在30～35MPa范围。围岩主拉应力绝大多数的点小于1MPa，仅位于厂房上游边墙表层开挖卸载区。围岩中的主压应力、主拉应力与岩体压、拉强度做对比，在一定程度上能够反应岩体的强度状况，围岩饱和状态的抗压强度为80 MPa、抗拉强度为4 MPa，洞室施工完成后围岩主压、主拉应力远小于岩体饱和状态的强度，由此认为围岩在开挖后不会发生大范围的强度破坏。

图5 地下厂房洞室3#机组横剖面位移矢量图

洞室群大多数锚杆的拉应力小于200 MPa。厂房顶拱锚杆拉应力为最大，最大值达到283 MPa，上游边墙锚杆最大拉应力为240 MPa，下游边墙锚杆拉应力为220MPa。主变洞顶拱锚杆拉应力最大值为200 MPa，上游边墙锚杆最大拉应力为190 MPa，下游边墙锚杆拉应力为120 MPa。锚杆的拉应力均小于设计强度300 MPa，砂浆锚杆的规格选用是合理的。

图6 地下厂房洞室3#机组横剖面应力矢量图

6 结语

（1）采用对有限元模型施加重力、水平向荷载和位移值的方法，进行多工况进行试算，地应力反演值与实测值之间的误差不超过15%，角度差小于10°，说明数值和方向均非常接近，满足工程计算分析的需要。（2）对丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群三维数值计算分析得出的围岩变形规律、围岩应力状态、锚杆应力状况等方面综合判断，地下厂房洞室群围岩是稳定的，结构安全能够得到保障。（3）由于岩土工程本身的复杂性、数值计算不可能全部模拟所有地质构造等因素，施工过程中应结合开挖状况及收敛观测信息等对支护参数进行调整优化，确保设计方案的合理性及在施工期、运行期的安全。

［1］ 邱彬如，刘连希.抽水蓄能电站工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］ 余卫平，汪小刚，杨健，等.地下洞室群围岩稳定性分析及其结果的可视化［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（10）：3730-3736.

［3］ 苏凯，伍鹤皋，蒋逵超，等.不同支护时机的地下洞室围岩稳定仿真［J］.武汉大学学报：工学版，2008，41（4）：29-33.

［4］ 王颂，何沛田.江口水电站地下厂房围岩稳定性研究［J］.地下空间与工程学报，2006，2（S2）：16-18.

［5］ 徐金英，李德玉.郭胜山.基于ABAQUS的两种库水附加质量模型下重力坝动力分析［J］.中国水利水电科学研究院学报，2014，12（1）：98-103.

［6］ 郝明辉，张艳红，陈厚群.基于ABAQUS的黏弹性人工边界在重力坝分析中的应用［J］.中国水利水电科学研究院学报，2012，10（2）：120-126.

［7］ 党林才，等.中国水电地下工程建设与关键技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［8］ 丰宁抽水蓄能电站工程设计资料［R］.北京：中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，2013.

Stability analysis of underground pow erhouse surrounding rock of Hebei Fengning pumped storage power plant

WANG Ruihua1，WEN Jiahua2，LI Yunlong2，CUI Wei3
（1.Xinjiang Investigation and Design Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China；2.Technology Center of State Grid Xinyuan Company LTD，Beijing 100761，China；3.China Institute of Water Resources and Hydro power Research，Beijing 100038，China）

The Hebei Fengning pumped storage power plant is being built with large and complicated powerhouse caverns.It will have the largest installed capacity in China’s pumped storage power plants.In this paper，a 3-dimensional finite element method model is created on the basis of engineering layouts and site geological test data.The back analysis of in-situ stress and the stability of caverns surrounding rock are studied with the simulation of code ABAQUS.The stress and displacement of surrounding rock are calculated and analyzed，and the stability of surrounding rock is evaluated.The conclusions provide valuable references for the structural design，calculation and analysis of sim ilar projects.

pumped storage power plant；underground powerhouse；stability of surrounding rock；finite element method；back analysis of in-situ stress

TV642.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.004

1672-3031（2016）03-0182-05

（责任编辑：李 琳）

2015-07-31

王瑞华（1979-），男，湖北宜昌人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计研究。E-mail：wangruihua563@126.com